считывает данные с датчика, связанного с миской с кормом, чтобы определить наличие или отсутствие гранул. Эта мера необходима для предотвращения переполнения миски. Затем порция корма выдается посредством активации сервопривода 1, если миска пуста, и не выдается в противном случае.

Вне зависимости от того, пришло время еды или нет, запрос о наличии воды идет на датчик, связанный с миской с водой. При нехватке жидкости подаётся команда на сервопривод 2 для увеличения уровня воды в миске.

Далее система обязательно проверяет, достаточно ли корма и воды в контейнерах, снимая показания с соответствующих датчиков. Если вес сухого корма меньше порогового значения, загорается светодиод 1, если достаточно - светодиод 1 гаснет. При малом уровне воды загорится светодиод 2 и потухнет, если увеличится уровень жидкости. Световой индикатор погаснет в том случае, если хозяин пополнит запасы в ёмкостях.

Помимо всего прочего, программа проверяет, была ли остановлена работа со стороны пользователя: если нет, цикл продолжается, в противном случае на экране появляется меню выбора режима питания, а отсчет времени останавливается.

5.2 Внешний вид

При выборе материалов для изготовления корпуса обычно отдают предпочтение нержавеющей стали, керамике и пластику.

Пластмасса: самый дешевый вариант, удобно использовать в дороге. Из минусов можно назвать легкое впитывание запахов, быстрое образование склизкого налета, что является результатом размножения вредных бактерий. Кроме того, при производстве посуды не всегда используется качественный материал, а это приводит к выделению вредных веществ в еду. По этой же причине пластиковую посуду не моют в посудомойке, а значит не обрабатывают от бактерий. И, наконец, пластик - очень легкий материал, отчего часто миски переворачиваются или скользят по поверхности, если не прорезинены по дну.

Стоит отметить, что есть и высококачественные виды пластика, например, меламин. Этот пластик нетоксичен при соблюдении правил эксплуатации, способен имитировать керамику, дерево и фарфор. Соответственно, может быть достаточно тяжелым для того, чтобы избежать опрокидывания.

Сталь: подходит для мытья в посудомойке, ударопрочный материал, но его использование при производстве повысит стоимость устройства. Помимо этого, металлические миски производят немало шума и довольно легкие.

Керамика: экологичный материал, устойчивый к высоким температурам, поэтому изделия можно мыть в посудомойке. Особенностью является долговечность и то, что изделия из керамики довольно тяжелые, из-за чего вероятность их опрокидывания животными практически равна нулю. Из недостатков можно выделить хрупкость, сразу же приводящую посуду в негодность при падении на пол, и высокую стоимость.

При изготовлении модели комплекса в промышленных масштабах можно совмещать материалы. Так, миски могут быть съёмными и выполненными из нержавеющей стали, а сам корпус и контейнеры - из меламина. Так как предполагается, что корпус не будет подвергаться нагреву выше 70 ^?С, а именно при данной температуре понемногу начинают выделяться вредные вещества, то использование данного вида пластика считается экологически безопасным.

Стоит отметить, что модель можно изготовить и из других, более доступных материалов. В частности, фанера или оргстекло доступны любому человеку, а миски из нержавеющей стали можно купить в зоомагазине. Однако нужно понимать, что в таком случае качество и долговечность несколько снизятся.

На рисунке 32 представлен один из вариантов дизайна корпуса автоматизированного комплекса. Сверху расположены крышки (1), открыв которые можно получить доступ к контейнерам. Один из них предназначен для корма, другой - для воды. Чуть ниже расположен дисплей (3) с кнопками (4), позволяющими запрограммировать режим питания. Также можно заметить слева и справа от экрана выпуклости - это световые индикаторы (2). Тот, что расположен слева, связан с оповещением об опустошении левого контейнера. Тот, что справа, соответственно, связан с правым. Над обеими мисками (6) сделаны отверстия (5) с направляющими козырьками, чтобы обеспечить точное попадание корма и воды. Сами миски находятся в небольших углублениях и разделены перегородкой, которая необходима для того, чтобы корм случайно не попал в воду, когда животное ест. Питание устройства происходит от сети.

Рис. 32 Вариант дизайна корпуса автоматизированной системы

5.3 Внутреннее устройство

На рисунке 33 приведена схема управления разрабатываемого устройства. Стрелки показывают соединения между элементами и направление передачи данных.

В составе комплекса предусмотрено 2 способа индикации, а именно: светодиоды для уведомления о нехватке запасов и дисплей для вывода необходимой текстовой и числовой информации. Модуль часов реального времени необходим для организации питания по расписанию и ориентирования по реальному времени, так как модуль продолжает работу даже при отсутствии подключения к сети за счет питания от батареи. Наличие датчиков обусловлено необходимостью контроля веса корма и воды в каждой из ёмкостей, а сервоприводы позволяют открывать и вовремя перекрывать подачу провизии.

Рис. 33 Схема управления

Для работы комплекса необходимо подключение к сети, в результате чего на плату подается напряжение питания 12 В. Сразу после включения загорается дисплей, где с помощью тактовых кнопок «больше» и «меньше» можно выбрать число порций в сутки, которое принимает целые значения от 1 до 4, а при нажатии кнопки «параметр» можно задать размер суточной нормы, равный целому числу в интервале от 30 до 240 г. Повторное нажатие на кнопку «параметр» вновь вернёт к выбору количества порций.

После того, как пользователь определился с параметрами, необходимо нажать на кнопку «старт/стоп» для начала работы программы. Сразу рассчитываются следующие значения:

· размер порции

,

где P - размер порции, N - суточная норма, k - количество приёмов пищи;

· время приёма пищи

,

,

…

,

где - время приёма пищи в часах для i от 1 до k;

· оставшееся время

,

где - оставшееся время до выдачи i-й порции корма, - текущее время модуля часов реального времени.

Окончив расчёты, на дисплее появляется надпись с обратным отсчётом до следующей выдачи корма. Предварительно программа проверяет, какое именно время необходимо использовать.

Далее алгоритм строится так, что система ждет, пока модуль часов не покажет время , попутно проверяя, достаточно ли воды в миске и запасов в контейнерах. При наступлении нужного времени программа берет показания с датчика под миской с кормом, чтобы проверить, остался ли корм с предыдущей трапезы, сверяя данные с датчика с пороговым значением, равным P/4. Необходимо предусмотреть исход, когда в миске могло остаться незначительное количество корма, чтобы компенсировать возможную погрешность измерения. При показаниях датчика выше порогового устройство не выдает корм и запускает отсчет заново, в противном случае посылается команда на сервопривод 1 для открытия отверстия подачи еды, которое будет открыто до тех пор, пока датчик под миской не зафиксирует вес, равный весу рассчитанной порции, после чего таймер на дисплее начнет отсчет заново.

Аналогично система действует в процессе контроля воды: датчик, расположенный под миской с водой, фиксирует её вес, и, если он меньше порогового, вода доливается, в противном случае система бездействует. Уровень порогового значения зависит от собственного веса миски и вмещаемого объёма воды, поэтому необходимо определять данный показатель опытным путём, однако, в среднем, это значение равно примерно 1/3 от общего объёма, а в таблице 1 приведены примеры некоторых видов мисок и рекомендуемых для них пороговых значений.

Таблица 1

Рекомендуемое пороговое значение для разных видов мисок

После завершения проверки и выдачи в случае необходимости еды и воды система в обязательном порядке проверяет оставшиеся запасы в контейнерах. Наличие воды проверяется датчиком уровня, поэтому пороговое значение определяется расстоянием от сенсора до дна контейнера. При отсутствии воды от датчика пойдет сигнал «0», при уровне воды выше сенсора будет поступать сигнал «1». В свою очередь, минимальный уровень корма в контейнере определяется по формуле:

Для определения использовался коэффициент 3 для обеспечения наличия корма минимум на 3 дня. При обнаружении нехватки корма или воды загорается 1 или 2 светодиоды соответственно, а как только пользователь пополнит запасы, светодиоды погаснут.

Наконец, программа постоянно проверяет, была ли реализована принудительная остановка работы со стороны пользователя посредством повторного нажатия кнопки «старт/стоп». В случае положительного результата цикл прекращается, и пользователь вновь может ввести данные, а также провести плановое обслуживание устройства.

Рис. 34 Принципиальная схема комплекса

На рисунке 34 изображена принципиальная схема разрабатываемого устройства, где:

· Т1, Т2, Т3 - тензорезистивные датчики веса на 1 кг, 10 кг и 1 кг соответственно;

· D1 - дисплей с припаянным конвертером I2C;

· НХ711 - аналого-цифровой преобразователь;

· XKC-Y25 - бесконтактный ёмкостный датчик уровня воды;

· Arduino Uno R3 - используемая управляющая плата семейства Arduino;

· R1-R6 - резисторы номиналом 10 кОм;

· VD1, VD2 - светодиоды;

· K1-K4 - тактовые кнопки;

· Servo1 и servo2 - сервоприводы для подачи корма и воды;

· DS1602 - модуль часов реального времени.

Плата, модуль часов реального времени, АЦ-преобразователи, а также кнопки, светодиоды и связанные с ними резисторы будут расположены под дисплеем в виду наличия в данной области свободного пространства. Сервоприводы логичнее будет расположить в непосредственной близости от выходных отверстий, а датчики веса для мисок и контейнера под мисками и контейнером соответственно. Выходные отверстия будут закрываться дисками с прорезями (рисунок 35), которые и будут вращать сервоприводы. Диаметр прорези равен размеру отверстия. Датчик уровня воды может быть расположен снаружи, поэтому будет удобнее разместить его перед контейнером.

Рис. 35 Диск, блокирующий подачу еды и воды

При обслуживании устройства будет возможность открыть верхнюю грань, чтобы было удобнее доставать ёмкость для воды. Во избежание протечки, дно будет закрываться специальной крышкой с механизмом на пружине (рисунки 36-37). В обычном состоянии это будет нормальная крышка, однако если вставить ёмкость в устройство, на центр крышки начнёт давить специальная выпуклость, из-за чего центр слегка приподнимется, и вода сможет вылиться в небольшое углубление из нержавеющей стали, расположенное под наклоном.

Рис. 36 Крышка для контейнера с водой

Рис. 37 Вид крышки снизу при нажатой кнопке в центре

К сожалению, на данный момент контейнер для корма вытащить из устройства не получится, поэтому единственным решением будет использование широкого отверстия, чтобы при необходимости была возможность прочистить контейнер вручную.

Подводя итог, стоит отметить, что в данной работе был сделан упор на подбор подходящих элементов для электрической схемы, а также были даны рекомендации по программированию системы и внешнему виду комплекса. Для сборки схемы устройства потребуются следующие элементы:

· плата Arduino Uno (1287 руб);

· сервоприводы SG-5010 (210 руб) и SG92R (140 руб);

· LCD дисплей HJ1602A 16x2 со впаянным I2C переходником (200 руб);

· 2 светодиода GNL-5013HT (8 руб/шт);

· модуль часов реального времени DS1302 (55 руб);

· 4 кнопки KLS7-TS6607 (7 руб/шт);

· тензодатчики для весов на 1 кг (195 руб) и на 10 кг (265 руб) для Ардуино;

· 2 аналого-цифровых преобразователя НХ711 (90 руб/шт);

· бесконтактный датчик уровня жидкости XKC-Y25-V (890 руб).

В скобках указана примерная стоимость элементов, однако ни в коем случае цена не является абсолютной, поэтому, при желании, можно найти товар дешевле.

Заключение

На сегодняшний день существует множество решений в области питания домашних животных. Использование автоматических кормушек и питьевых фонтанчиков способно значительно облегчить жизнь. Как бы то ни было, все устройства помимо достоинств обладают и недостатками: одни настолько примитивны, что никак не контролируют количество выдаваемого корма; другие специализируются на утолении только одной из потребностей, в результате чего приобретение обоих устройств может стать накладным. Бывает также и ситуация, когда ни одно устройство не удовлетворяет выдвигаемым требованиям покупателя, отчего возникает желание собрать его самостоятельно. Однако и здесь могут возникнуть проблемы: все продаваемые модели являются коммерческими, а, следовательно, процесс их создания строго засекречен. Тем не менее, находятся люди, которые готовы поделиться своими знаниями и рассказать, как собрать желаемое устройство. Одним из таких публичных примеров является рассмотренный ранее прототип, предназначенный для исследователей нетехнических специальностей.

Как было сказано ранее, описанная модель способна работать с гранулами для кошек, голубей и обыкновенных игрунок, но не предназначена для подачи воды. Для изменения режима питания необходимо подключать плату к компьютеру и менять код. Еще одним недостатком является не совсем презентабельный вид. В виду того, что модель предназначена именно для экспериментов, перечисленные минусы несущественны, однако при использовании устройства обычным пользователем, не желающим лишний раз разбирать прибор, именно наличие данных параметров играет существенную роль.

Разработанный комплекс слежения за питанием домашних животных, в отличие от прототипа, предназначен только для кошек и небольших пород собак, зато обладает рядом других преимуществ, реализованных на данный момент на основе поставленных задач:

· способен выдавать еду в определённое время;

· самостоятельно рассчитывает время кормления;

· позволяет пользователю выбирать режим питания, задавая суточную норму и количество порций в день без прямого вмешательства в код программы;

· самостоятельно рассчитывает размер порции;

· избегает переполнения миски в случае, если корм по каким-либо причинам не был съеден;

· поддерживает постоянный доступ питомца к воде;

· уведомляет о необходимости пополнить запасы еды и воды в контейнерах.

В качестве направления дальнейшей работы предлагается пересмотреть устройство контейнера и системы подачи корма таким образом, чтобы ёмкость с кормом можно было извлекать из устройства. Необходимо также продумать внешний вид устройства в плане вычисления оптимальных геометрических размеров, способов крепления деталей и герметизации стыков. Кроме того, желательно рассмотреть возможность автоматического добавления жидких лекарств и витаминов в воду.

Список литературы

1 Oh J., Hofer R., Fitch W.T. An open source automatic feeder for animal experiments // HardwareX. 2017. V. 1, I. 1. P. 13-21.

2 Блум Д. Изучаем Arduino: инструменты и методы технического волшебства. Пер. с англ. - СПб.: БХВ-Петербурr, 2015.

3 Шарапов В.М., Полищук Е.С., Кошевой Н.Д., Ишанин Г.Г., Минаев И.Г., Совлуков А.С. Датчики: Справочное пособие. М.: Техносфера, 2012.

4 Макаров Д. Принцип работы тензодатчика веса и давления. URL: https://yandex.ru/turbo?text=https%3A%2F%2Fwww.asutpp.ru%2Ftenzodatchik.html (дата обращения 23.03.2020).

5 Пивоваров В. Датчик уровня воды: устройство и принцип действия. URL: https://www.syl.ru/article/225668/new_datchik-urovnya-vodyi-ustroystvo-i-printsip-deystviya (дата обращения 24.03.2020).

6 Устройство и принцип работы датчиков уровня. URL: http://www.devicesearch.ru.com/article/datchiki_urovnya (дата обращения 25.03.2020).

7 Печатные платы. URL: https://www.radioingener.ru/pechaynye_platy/#i-4 (дата обращения 14.04.2020).

8 Сравнение плат Arduino. URL: https://ampermarket.kz/base/arduino_family/# (дата обращения 15.04.2020).

9 Плата Arduino Uno R3: схема, описание, подключение устройств. URL: https://arduinomaster.ru/platy-arduino/plata-arduino-uno/ (дата обращения 15.04.2020).

10 Плата Arduino Mega 2560. URL: https://arduinomaster.ru/platy-arduino/plata-arduino-mega-2560/ (дата обращения 15.04.2020).

11 Плата Arduino Leonardo: описание, схема, подключение и сравнение. URL: https://arduinomaster.ru/platy-arduino/plata-arduino-leonardo-opisanie-shema-podklyuchenie-i-sravnenie/ (дата обращения 15.04.2020).

12 Плата Arduino Nano v 3.0: распиновка, схемы, драйвер. URL: https://arduinomaster.ru/platy-arduino/plata-arduino-nano/ (дата обращения 15.04.2020).

13 Arduino Due: распиновка, схема подключения и программирование. URL: http://wiki.amperka.ru/%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%BA%D1%82%D1%8B:arduino-due (дата обращения 15.04.2020).

14 Arduino Pro Mini - распиновка и подключение. URL: https://arduinomaster.ru/platy-arduino/arduino-pro-mini-raspinovka-i-podklyuchenie/ (дата обращения 15.04.2020).

15 Ардуино Микро: распиновка, характеристики. URL: https://xn--18-6kcdusowgbt1a4b.xn--p1ai/arduino-micro/ (дата обращения 15.04.2020).

16 Arduino M0. URL: http://wiki.amperka.ru/%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B4%D1%83%D0%BA%D1%82%D1%8B:arduinom0 (дата обращения 15.04.2020).

17 Arduino LilyPad. URL: https://3d-diy.ru/wiki/arduino-platy/arduino-lilypad/ (дата обращения 15.04.2020).

18 Сервоприводы: подключение, управление, скетчи Ардуино. URL: http://wiki.amperka.ru/%D1%80%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0:%D1%81%D0%B5%D1%80%D0%B2%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%B8%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D1%8B (дата обращения 23.04.2020).

19 Сервопривод SG-5010 с повышенной мощностью. URL: https://compacttool.ru/viewtovar.php?id=1112 (дата обращения 24.04.2020).

20 Сервопривод микро SG92R TowerPro Compatible) 180 градусов. URL: https://amperkot.ru/msk/catalog/servoprivod_mikro_sg92r_towerpro_compatible_180_gradusov-24148240.html (дата обращения 24.04.2020).

21 Какие бывают дисплеи для Ардуино и как их подключить. URL: http://electrik.info/microcontroller/1496-kakie-byvayut-displei-dlya-arduino-i-kak-ih-podklyuchit.html (дата обращения 25.04.2020).

22 LCD дисплей HJ1602A 16x2 с I2C переходником, синяя подсветка. URL: https://amperkot.ru/msk/catalog/lcd_displey_hj1602a_16x2_s_i2c_perehodnikom_sinyaya_podsvetka-23934267.html#description (дата обращения 25.04.2020).

23 Светодиод: устройство, принцип работы, преимущества. URL: https://duray.ru/database/stati/svetodiod-ustroystvo-printsip-raboty-preimushchestva/ (дата обращения 26.04.2020).

24 Микросхемы часов реального времени RTC - назначение, виды и примеры использования. URL: http://electrik.info/microcontroller/1576-mikroshemy-chasov-realnogo-vremeni-rtc.html (дата обращения 27.04.2020).

25 Ардуино и клавиатуры (полный гайд). URL: https://habr.com/ru/post/460409/ (дата обращения 28.04.2020).

26 Евсегнеев О. Ардуино: кнопки. URL: https://robotclass.ru/tutorials/arduino_buttons/ (дата обращения 28.04.2020).

27 Подключение тензодатчика HX711 к Arduino. URL: https://arduinomaster.ru/datchiki-arduino/tenzodatchiki-i-vesy-na-arduino-i-nh711/ (дата обращения 29.04.2020).

28 Датчик уровня воды. URL: https://3d-diy.ru/wiki/arduino-datchiki/arduino-datchik-urovnya-vody/ (дата обращения 30.04.2020).

29 Бесконтактный датчик уровня жидкости. URL: https://amperka.ru/product/sensor-liquid-level-contactless (дата обращения 30.04.2020).

30 Информационная технология. Автоматизированные системы. Основные положения / Под ред. Копысов В.Н. М.: ИПК Издательство стандартов, 2002. ГОСТ 34.003-90.

Приложение

Принципиальная схема и распиновка платы Arduino Uno

Рис. 38 Распиновка Arduino Uno

Рис. 39 Принципиальная схема Arduino Uno

Размещено на Allbest.ru